[发明专利]一种快速沉积钐钡铜氧外延薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及超导材料制备技术领域，具体涉及一种快速沉积钐钡铜氧外延薄膜的方法。

背景技术

SmBa₂Cu₃O_7-δ(SmBCO)是REBCO(RE为Gd、Sm、Nd等稀土元素)系超导材料中的一种。 在较高的磁场中，与传统的超导材料，如：YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)比较具有更高的临界转变温 度和更大的临界电流密度，而且SmBCO薄膜可以在确定的温度和气压下获得成分单一的相 且性能稳定。因此，SmBCO被认为是极具应用前景的下一代高温超导材料。在大电流应用领 域，利用SmBCO超导薄膜的临界电流密度大并且上临界磁场高等特点，制备SmBCO高温 超导涂层电缆，与传统的铜芯电缆相比，具有传输容量大，损耗小，稳定性高，安全可靠， 环保节能等优点；在小电流应用领域，利用SmBCO超导薄膜微波表面电阻比传统铜材料低 约2个量级的特点，制备超导微波滤波器、超导量子干涉仪等；在抗磁性方面的应用，主要 是利用超导体制造磁悬浮列车等。

SmBCO的超导电流主要在Cu-O面(即a-b面)内传导，其a-b面内能承载的超导电流是其 他面所能承载的超导电流的几十至几百倍，这就要求SmBCO薄膜的生长方向尽可能是c轴 取向，避免a轴生长产生“弱连接”而严重降低超导性能。

SmBCO薄膜的结构中各元素的配比、氧含量、结晶质量等对其超导性能有显著影响，因 此需要在制备过程中需要能够精确控制薄膜中的各元素比、氧分压及沉积温度等，保证晶体 结晶性良好。目前制备高温超导薄膜的方法主要有：三氟乙酸-金属有机化合物沉积 (Trifluoroaceticacid-metalorganicdeposition，TFA-MOD)、脉冲激光沉积(Pulsedlaser deposition，PLD)、磁控溅射法(Sputtering)以及金属有机化学气相沉积(Metal-organicchemical vapordeposition，MOCVD)。TFA-MOD是一种化学溶液沉积方法，其制备过程需要多次重复 涂抹，而且溶液干燥、薄膜成相热处理及吸氧过程所需周期较长，而且沉积薄膜表面易产生 空洞，影响薄膜表面质量和性能。PLD和溅射法的沉积速率较低，一般只有几十至几百纳米 每小时，而且难以沉积大面积的薄膜，设备造价与维护成本昂贵。

MOCVD法被认为是一种最具潜力的制备技术，MOCVD沉积技术具有制备过程简单、 成本低、沉积区域面积大且均匀、产品性能高等优点，更容易实现工业化生产。该技术也存 在不足之处，沉积速度相对较慢，通常沉积速度仅为几个微米每小时，薄膜厚度不均匀，薄 膜在厚度方向上存在温度梯度，易造成薄膜的取向和组分会发生变化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种快速沉积钐钡 铜氧外延薄膜的方法，沉积速率极快，升温速度快，在薄膜厚度方向上无温度梯度，薄膜成 分均一，厚度均匀，大大降低了能耗，非常节能，无杂相生成，超导性能良好。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种快速沉积钐钡铜氧外延薄膜的方法，包括以下步骤：

1)将基板放置于沉积腔内的基板台上；

2)打开真空泵，将沉积腔体内的压强降至最低值；

3)分别对加热室和原料载流气管及喷嘴进行预热至设定温度后，将原料罐推至加热室， 通入载流气将加热室中原料预热产生的废气排出；

4)打开激光发生器，将激光引入沉积腔体内，加热基板至沉积温度；

5)打开原料罐与沉积腔体之间的阀门及氧化气体与沉积腔体之间的阀门，使带有原料气 的载流气和氧化气体通入到沉积腔体内；

6)调节流量计使载流气和氧化气的流量分别达到相应的设定值；

7)通过真空泵调节沉积腔体内的压强；

8)原料气和氧化气发生化学反应，在基板表面形成沉积钐钡铜氧薄膜。

接上述技术方案，所述步骤1)中，所述基板为(100)取向的铝酸镧、钛酸锶或氧化镁的 单晶基板，单面抛光，使用前在乙醇中对基板进行超声10～30min，清洁表面。

接上述技术方案，所述步骤3)中，原料包括钐源、钡源和铜源，分别放置于不同的原 料罐中。